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肠道菌群与减肥:调节白色脂肪组织褐变和褐色脂肪组织活性

时间:2020-05-25 10:09来源:菌情观察室 作者:菌情观察室 浏览次数:
  在过去的二三十年里,全球肥胖及其相关代谢紊乱(包括血脂异常、胰岛素抵抗和高血压)的发生率呈指数级增长,大大增加了2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、动脉粥样硬化、心血管问题和一些类型的癌症的发病风险。

  关于减肥,我们听得最多的就是“管住嘴,迈开腿”,也就是要限制热量摄入,促进热量消耗。所以,目前治疗肥胖主要是通过节食和减肥手术来限制卡路里的摄入,通过体育锻炼和药物治疗来调节食欲和促进能量消耗,然而这些方法往往带来一些不良后果。而且,很多人只是暂时的体重减轻,比如节食减肥的人,最终恢复到正常饮食后,体重又会马上反弹回来,甚至比以前更重。因此,需要进一步的研究新的更有效的治疗肥胖的方法。

  哺乳动物体内脂肪组织主要分为白色脂肪组织和褐色脂肪组织,其中白色脂肪组织主要通过甘油三酯的形式储存能量,而褐色脂肪组织则是一种非常特化的产热器官,能够把能量直接以热的形式散发出来。在解剖学上,褐色脂肪组织主要分布于肩胛间、肾周和腋窝等部位,在某些外源性刺激下,白色脂肪组织会发生褐变,比如寒冷刺激可以使白色脂肪组织褐变,通过产热来应对寒冷环境的胁迫。 所以,增加能量消耗的一种可能方式是增强白色脂肪组织的褐变和褐色脂肪组织的产热活性。

  近15年来,大量研究表明肠道菌群是宿主代谢稳态和能量平衡的重要调节因子。肠道菌群的活动可以导致特定的细菌代谢物(短链脂肪酸)和结构组分(脂多糖和肽聚糖)的产生。这些物质在肥胖及其相关代谢性疾病的发生中具有重要作用。同时,肠道菌群也是调节褐色脂肪组织活性和白色脂肪组织褐变的重要内源性因子。

  无菌小鼠和抗生素清除肠道菌群的小鼠证明肠道菌群参与调节褐色脂肪组织活性和白色脂肪组织褐变

  无菌小鼠的盲肠变大,肠绒毛变薄,其从食物中获取的能量显著降低。无菌状态下,宿主的能量代谢也发生了变化,表现为褐色脂肪组织活性相关的代谢产物增加,表明褐色脂肪组织中脂质分解代谢过度激活。因此,肠道菌群可以调节褐色脂肪组织的代谢。

  使用抗生素清除小鼠肠道菌群可以促进皮下和内脏脂肪中白色脂肪组织褐变的发生,表现为褐色脂肪标志物的表达增加,但是对褐色脂肪组织的活性没有明显影响。清除肠道菌群对白色脂肪组织的这种影响伴随着糖耐量和胰岛素敏感性的显著改善以及脂肪量和脂肪细胞大小的显著降低,在遗传性肥胖和饮食诱导的肥胖小鼠中都是如此。通过菌群移植重建抗生素处理小鼠或无菌小鼠的肠道菌群,可以导致葡萄糖耐量降低、胰岛素敏感性受损、白色脂肪量和脂肪细胞大小增加、褐变基因的表达减弱。因此,通过清除小鼠的肠道菌群可以促进白色脂肪组织褐变和减少肥胖。

  清除肠道菌群导致的这些代谢改善是由皮下白色脂肪中嗜酸性粒细胞浸润、2型细胞因子信号增强和替代性活化的M2巨噬细胞增加所介导的。小鼠在清除肠道菌群后,嗜酸性粒细胞产生的IL-4水平升高,导致替代性活化的M2巨噬细胞增加,而这些细胞参与褐色脂肪组织的活性和白色脂肪组织的褐变。具体来说,替代性活化的M2巨噬细胞导致酪氨酸羟化酶的表达增加,这是儿茶酚胺生物合成途径的关键酶,从而导致去甲肾上腺素(儿茶酚胺类物质)的释放增加,诱导白色脂肪组织中的脂质分解,刺激褐色脂肪组织中产热基因的表达。

  因此,肠道菌群可能通过调节褐色脂肪组织的代谢和白色脂肪组织的褐变,从而在健康以及肥胖和代谢性疾病中发挥作用。

  间歇性禁食可以刺激白色脂肪组织褐变,帮助减肥,肠道菌群是背后功臣

  间歇性禁食是一种有效且自然的控制体重的策略。隔日禁食是间歇性禁食的一种常见方式,它可以选择性地刺激白色脂肪组织的褐变,导致体重降低和肝脏脂肪变性减少,胰岛素敏感性提高。有趣的是,与抗生素清除肠道菌群的小鼠和无菌小鼠相似,间歇性禁食增加了小肠长度,并导致肠道菌群组成发生明显变化。

  间歇性禁食导致的这种肠道菌群的变化在白色脂肪组织褐变中发挥了重要作用,因为间歇性禁食小鼠的肠道细菌移植给无菌小鼠后可以增强白色脂肪组织的褐变和增加小肠长度,然而,当使用抗生素清除肠道菌群时,间接性禁食的有益作用就减弱了。

  值得注意的是,间歇性禁食导致的肠道菌群组成的变化导致血清和盲肠中乙酸和乳酸水平的升高。乙酸和乳酸都被认为是白色脂肪组织褐变的诱导剂。褐色脂肪组织和白色脂肪组织中都会表达单羧酸转运蛋白1(MCT1),这是乙酸和乳酸的质膜转运蛋白,可以将乙酸和乳酸转运穿过脂肪细胞的质膜。间歇性禁食可以选择性的上调白色脂肪组织中MCT1的表达。因此,间歇性禁食主要通过改变肠道菌群组成,促进乙酸和乳酸的产生,从而诱导白色脂肪组织的褐变。

  热量限制可以通过促进白色脂肪组织褐变而减肥,肠道菌群在其中功不可没

  热量限制也可以帮助改善代谢,肠道菌群也在其中发挥重要作用。热量限制使得肠道菌群的组成和功能发生了变化,这是促进白色脂肪组织褐变及其相关代谢改善所必需的。值得注意的是,将热量限制小鼠的肠道细菌移植到无菌小鼠后,无菌小鼠的体重增加也会减少,葡萄糖耐量和胰岛素敏感性得到改善,与此同时,皮下白色脂肪组织中褐色脂肪特异性的标记物的表达也增强了,也就是说白色脂肪组织发生了褐变。

  从机理上讲,这些作用与脂质A生物合成所需的关键细菌酶的表达减少有关,而脂质A是细菌脂多糖(LPS)的基本成分,细菌脂多糖是肠道革兰氏阴性细菌细胞壁的重要组分,也被称为内毒素。因此,热量限制导致LPS的水平降低。在热量限制期间,LPS的减少减弱了白色脂肪组织的炎症过程,增加了白色脂肪组织褐变和胰岛素敏感性,而当LPS水平恢复时,热量限制对新陈代谢的积极影响就不复存在。

  事实上,通过遗传和药理学方式抑制LPS信号通路,也可以降低白色脂肪组织炎症,同时增加白色脂肪组织褐变,改善胰岛素敏感性和肝脏脂肪变性。因此,热量限制可以通过促进白色脂肪组织褐变而改善代谢和减肥,肠道菌群在其中功不可没。

  寒冷刺激可以改变肠道菌群,促进白色脂肪组织褐变

  寒冷刺激对肠道菌群和脂肪产热的影响,揭示了肠道菌群对白色脂肪组织褐变和褐色脂肪组织活性的重要性。

  寒冷刺激会导致小鼠肠道菌群组成的显著变化。把小鼠从温暖的环境转移到寒冷的环境后,硬壁菌门细菌的数量显著增加,而拟杆菌门细菌数量则明显减少,疣微菌门细菌几乎完全消失。有趣的是,肠道菌群的这种改变可以增加小鼠的胰岛素敏感性,降低脂肪细胞的大小,同时促进白色脂肪组织的褐变。将寒冷刺激的小鼠的肠道细菌移植到无菌小鼠后,小鼠的丙酸、丁酸、乳酸和琥珀酸的水平升高,这与寒冷刺激后细菌发酵活性、能量获取和肠道吸收能力的增加是平行的。

  寒冷刺激后9天,小鼠的小肠长度和重量显著增加,从而增加肠道吸收的表面积,并持续到30天。抗生素清除肠道菌群的小鼠和无菌小鼠的肠道长度和重量也增加,但是与寒冷刺激相比,增加得更明显。值得注意的是,寒冷刺激导致的嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansia muciniphila)丰度的降低是增加肠道吸收表面积所必需的。将嗜黏蛋白阿克曼氏菌和寒冷刺激的小鼠肠道菌群共同移植给无菌小鼠,或者在寒冷刺激期间补充嗜黏蛋白阿克曼氏菌,足以阻止肠道吸收功能的适应性增加。

  一般来说,嗜黏蛋白阿克曼氏菌被认为是一种有益的微生物以及健康的指标。在小鼠和人类中,嗜黏蛋白阿克曼氏菌的丰度与体重、脂肪量、胰岛素抵抗和葡萄糖耐受不良呈负相关,在肥胖及相关代谢性疾病(比如2型糖尿病、血脂异常和非酒精性脂肪肝)中显著降低。补充嗜黏蛋白阿克曼氏菌可以预防肥胖相关的代谢紊乱,减轻体重和脂肪量,减少肝脏脂肪的积累和动脉粥样硬化的发生,提高胰岛素敏感性和葡萄糖耐受性,恢复肠道上皮的完整性。嗜黏蛋白阿克曼氏菌的有益代谢作用可能部分是由于降低肠道吸收功能,从而促进宿主的热量限制。

  胆汁酸可以通过激活胆汁酸受体,来塑造肠道菌群,调节宿主代谢,包括脂质、葡萄糖和能量稳态。寒冷刺激会促进一种新的代谢途径,调节褐色脂肪组织中的脂蛋白加工和肝脏中胆固醇向胆汁酸的转换,从而增加血浆和粪便胆汁酸的水平,并显著改变肠道菌群和增加褐色脂肪组织的代谢和产热。

  抑制胆汁酸的合成和分泌可以减弱寒冷刺激诱导的肠道菌群组成的变化,减少产热。同样,寒冷环境会显著诱导参与初级胆汁酸生物合成和结合的肝脏酶,促进胆固醇向初级胆汁酸的转化。值得注意的是,只需要1天的寒冷刺激就可以改变肠道菌群和胆汁酸的组成,这表明这些改变与肥胖程度的降低无关。将寒冷刺激小鼠的肠道菌移植到无菌小鼠后,小鼠的脂肪量和肥胖程度降低、产热基因的表达增加、葡萄糖耐量增加,同时,肝脏中经典胆汁酸生物合成途径的表达上调,机体胆汁酸储备总量增加。寒冷刺激的小鼠胆汁酸谱与无菌小鼠相当,且对高脂饮食诱导的肥胖具有抵抗性。

  内源性大麻素系统似乎在肠道菌群与白色脂肪组织褐变的关系中发挥重要作用

  内源性大麻素系统是由多种生物活性脂质组成的复杂系统,与膜结合受体和核受体相互作用,具有广泛的生理效应。N-花生四烯酸氨基乙醇(N-arachidonoylethanolamine,AEA)是最典型的内源性大麻素之一,参与调节食欲和能量稳态。

  特异性地敲除脂肪组织中的大麻素合成酶Napepld基因,会促进肥胖,破坏葡萄糖和脂质稳态,同时改变脂肪组织的代谢和肠道菌群的组成。脂肪组织Napepld基因敲除的小鼠体重和脂肪量增加更多,脂肪细胞肥大和血浆瘦素水平增加;同时,小鼠出现葡萄糖耐受不良和胰岛素抵抗。Napepld基因敲除的小鼠的白色脂肪组织中参与脂肪组织代谢(主要是脂肪生成、β-氧化和褐变)的基因的表达降低,但是炎症相关基因表达增加,在正常饮食和高脂饮食的小鼠中都是如此。

  Napepld基因敲除的小鼠脂肪组织中LBP mRNA的表达和血浆LPS水平也显著增高,表明代谢性内毒素血症增强,而这可能诱导脂肪组织炎症。另外,Napepld基因敲除对肠道菌群组成也有显著影响,并表现出对寒冷刺激的适应能力减弱,寒冷刺激诱导的白色脂肪组织褐变明显受损。使用抗生素清除Napepld基因敲除小鼠的肠道菌群,可以减少小鼠的体重增加和脂肪积累,改善其葡萄糖耐量和胰岛素抵抗;而将Napepld基因敲除小鼠的肠道细菌移植到无菌小鼠后,可以增加小鼠的脂肪积累、肥胖指数和脂肪组织炎症,减少转移到无菌鼠增加脂肪量增加,肥胖指数和脂肪组织炎症,减少脂肪酸β-氧化和白色脂肪组织褐变。

  细菌脂多糖在肠道菌群调节的白色脂肪组织褐变中的作用

  肠道菌群如何参与调节白色脂肪组织的褐变呢?这可能与细菌脂多糖有关。细菌脂多糖(LPS)是肠道革兰氏阴性细菌细胞壁的重要组分,也被称为内毒素。许多不同的研究表明了LPS相关信号通路在白色脂肪组织褐变过程中的作用,LPS信号通路的激活以及这一途径中的一些重要介质(比如脂多糖结合蛋白)可以抑制白色脂肪组织的褐变,而LPS信号通路的内源性和外源性抑制剂具有相反的效果。

  脂多糖信号通路:LPS可以与TLR4受体结合,激活TLR4炎症信号通路,从而抑制白色脂肪组织褐变、增加活性氧的产生和线粒体功能障碍、减弱生热作用;而通过敲除TLR4基因可以保护线粒体功能和生热作用。

  脂多糖结合蛋白(LBP):LBP是一种I型急性期反应蛋白,可以促进LPS的脂质A组分与CD14和TLR4受体相互作用,调节LPS在细菌感染中的免疫刺激能力。与LPS类似,肥胖和胰岛素抵抗者中血浆LBP的水平升高。LBP主要在肝脏产生,但也可在脂肪组织中检测到,在白色脂肪细胞中高度表达,与肥胖相关的脂肪组织功能紊乱、炎症、代谢恶化和胰岛素抵抗有关。LBP基因敲除可以降低LPS诱导的脂肪细胞炎症,改善胰岛素信号,也可以促进白色脂肪组织的褐变。LBP也与促炎症的脂质特征相关,在完全分化的脂肪细胞中,LBP基因敲除可以导致线粒体呼吸增加,防止线粒体功能障碍。

  因此,肠道细菌的结构成分LPS对白色脂肪组织褐变具有负面影响。其它一些研究也间接的证明了这一点,比如:萝卜硫素是一类重要的生物活性物质,在十字花科蔬菜中含量较为丰富。萝卜硫素可以减轻高脂饮食小鼠的体重,减少肝脏脂肪变性,改善葡萄糖耐受性和胰岛素敏感性。一方面,萝卜硫素可以减少肠道中革兰氏阴性的脱硫弧菌科细菌相对丰度,因为革兰氏阴性细菌是LPS的主要来源,所以可以降低血液中LPS的水平,从而减轻代谢性内毒素血症,改善胰岛素敏感性;另一方面,萝卜硫素可以减轻高脂饮食诱导的肝脏和脂肪组织中巨噬细胞的促炎性激活,加快白色脂肪组织的褐变,从而增加能量消耗,减轻肥胖。因此,萝卜硫素可能通过降低LPS水平,加快白色脂肪组织褐变。

  总结

  肠道菌群与人类白色脂肪组织褐变之间的关系还很少被研究,对人类肥胖患者的观察性研究表明,白色脂肪组织褐变可能同样受到肠道菌群的影响。需要进一步的转化研究来评估肠道菌群和白色脂肪组织褐变对人类肥胖的影响。

  最后,对目前的一些主要研究总结如下:

  肠道菌群数量和组成不仅在人体能量摄取中发挥作用,也在人体能量消耗中发挥重要作用,参与调节脂肪组织的产热过程。

  间歇性禁食、热量限制和寒冷刺激可以促进白色脂肪组织褐变,增强褐色脂肪组织的活性,这些作用似乎都离不开肠道菌群的参与。

  脂肪组织中内源性大麻素系统的关键酶似乎在肠道菌群与白色脂肪组织褐变的关系中发挥重要作用。

  肠道细菌的结构成分LPS对白色脂肪组织褐变具有负面影响。

  总之,肠道菌群可以通过产生特定的代谢物及其特定的细菌结构成分,调节白色脂肪组织的褐变和褐色脂肪组织的活性,来影响脂肪组织的产热过程,从而显著改善与肥胖相关的代谢紊乱。调节肠道菌群,提高脂肪组织的产热活性,可能是促进热量消耗以帮助减肥的有效策略。

参考文献:
Moreno-Navarrete JM, Fernandez-Real JM. The gut microbiota modulates both browning of white adipose tissue and the activity of brown adipose tissue. Rev Endocr Metab Disord. 2019; 20(4): 387-397.





 
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